Лабораторные ВИП разделяются на печи с кварцевыми и металлическими вакуумными камерами. В печах с кварцевыми камерами индуктор, как правило, вынесен за пределы плавильного пространства, что значительно уменьшает объем вакуумной камеры. Корпус печи может быть как с водяным охлаждением, так и без него. В последнем случае размер корпуса делается несколько больше, чтобы уменьшить тепловую нагрузку на кварцевые стенки.

Наиболее часто используют кварцевые печи, показанные на рис. 69. Для изготовления кор.пуса рекомендуются трубы из прозрачного '-кварца, который меньше нагревается излучением по сравнению с непрозрачным кварцем. Печь, показанная на рис. 69, а, имеет нижний пришлифованный к металлическому основанию фланец. Вакуумное уплотнение достигается благодаря шлифовке и вакуумной смазке. Печь, показанная на рис. 69, б, имеет нижний прижимной фланец с резиновым уплотнением, печь, показанная на рис. 69, в, имеет шлифовое соединение либос кварцевой вставкой, входящей в колбу снизу, либо с водоохлаждаемой головкой.

Печи подобного типа широко распространены в установках для газового анализа, для определения растворимости газов (например, методом Сивертса) или различных равновесий с газовой средой. Преимущество подобных печей по сравнению с печами сопротивления заключается в том, что вакуумная камера не содержит

никаких частей, могущих адсорбировать или выделять газы, отражающиеся на результатах опыта. Внутри камеры находится только тигель с металлом. Металл активно перемешивается электромагнитным полем, что ускоряет наступление состояния равновесия. Наблюдение за плавкой проводится через плоскопараллельное стекло, впаянное в головку печи. Через это же стекло производится и измерение температуры оптическим прибором. Измерение температуры термопарой может быть осуществлено через низ печи. Спай термопары подводится к донышку тигля. Через отверстие в дне тигля термопара в защитном колпачке может вводиться непосредственно в самый тигель.

Через верхнюю головку печи с помощью шлюзового приспособления в печь можно вводить пробник для отбора проб или термопару погружения. В головке может быть расположен магазин для подгрузки легирующих или образцов при выполнении анализов. Плавку проводят в готовых тиглях промышленного производства. Как правило, плавку ведут без отливки слитка, после плавки металл застывает в виде слиточка в тигле. Однако известны некоторые конструкции, в которых разливку осуществляли с помощью стопорного устройства в дне тигля в стоящую под тиглем изложницу.

Емкость подобных печей не превышает 0,5 кг. Достоинства печей с кварцевыми корпусами заключается в простоте изготовления и высокой герметичности. Однако детали печи механически непрочны, требуют бережного обращения. При давлении внутри печи 0,01—1,0 мм рт. ст. возникает тлеющий разряд, который затрудняет ведение плавки и поддержание необходимого температурного режима.

Более удобными для выплавки металла массой от 1 до 20—30 кг являются вакуумные индукционные печи с металлическим корпусом. В этих печах индуктор помещен внутри корпуса.

В зависимости от назначения эти печи можно условно разделить на две группы:

1) с вертикальным цилиндрическим корпусом; ,

2) с горизонтальным корпусом.

Корпус печи имеет глухое дно и закрывается сверху либо съемной крышкой с помощью тельфера, либо откидывающейся кверху или отходящей в сторону крышкой. В последнем случае крышка

Рис. 71. Схема вакуумной индукционной печи с вертикальным корпусом:1 — тигель; 2 — индуктор; 3 - совок; 4 — дозатор; 5 ~ смотровое окно; 6 — защитный экран окна; 7 — водоохлаждаемый корпус; 8 — изложница

обычно имеет вспомогательные поворотные или подъемные гидравлические устройства, а для малых печей простые рычажные приспособления (рис. 71). Внутри печи эксцентрично относительно его оси расположен индуктор с тиглем. Изложница располагается на подставке или шарнирно соединена с корпусом индуктора. Дно печи закрыто защитным поддоном, во избежание прожога днища при проедании тигля жидким металлом. Приборы контроля за плавкой находятся на крышке печи. Достоинства такой конструкции печи в ее компактности, в удобном расположении средств контроля за плавкой, т. е. измерения температуры, отбора проб, присадке легирующих и т. п. Недостаток подобных установок в неудобстве очистки корпуса печи: для полной очистки корпуса необходимо снимать тигель.

Печи с горизонтальным корпусом

На рис. 72 корпус печи имеет крышку, которой он закрыт спереди. Тигель в печи может быть помещен как на кронштейнах, прикреп-

Рис. 72. Вакуумная индукционная лабораторная печь горизонтального типа; 1 — индукционная печь; 2 — крышка тигля; 3 — совок; 4 — дозатор; 5 — шток; 6 — устройство для отбора проб и измерения температуры; 7 — открывающаяся крышка; 8- печь для нагрева форм

ленных к корпусу, так и на выкатной раме или на консоли, приваренной к крышке. В последнем случае при открывании крышки индукционная печь оказывается полностью открытой для обслуживания: смены тигля, ремонта токоподводов или других частей. В то же время корпус печи полностью доступен для очистки. Изложницы для отливки слитков или формы могут располагаться либо на столе, прикрепленном к крышке, либо на подставке внутри корпуса. Обычно стол снабжен поворотным устройством, позволяющим менять расположение изложниц под разливочным носком. Таким образом, можно производить отливку нескольких слитков. Устройства для контроля за плавкой расположены сверху на корпусе или частично на крышке печи.

Печи с откатывающимся корпусом

Эти конструкции получили в последнее время большое распространение.

В этой конструкции тигель на консоли прикреплен к неподвижно стоящей крышке печи —стационарной плите. Через плиту проходит токоподвод, механизм наклона тигля. Крышка имеет патрубок для вакуум-провода. Стационарное расположение всех указанных узлов печи имеет ряд преимуществ по сравнению с перемещающимися узлами. Корпус печи на рельсах откатывается в сторону.

Изложницы или формы помещаются либо на столе, установленном в корпусе печи; либо подвешиваются на шарнире к каркасу тигля. При наклоне индуктора они сохраняют вертикальное расположение, обеспечивая тем самым разливку центральной струей.

Преимущество печей подобного типа состоит в том, что в этих агрегатах наилучшим образом обеспечивается уход за тиглем, за корпусом изнутри и т. п., хотя они и требуют несколько больше места в помещении.

Рассмотрим отдельные особенности конструкций вакуумных индукционных печей, присущие как лабораторным, так и промышленным агрегатам.

Корпус. Корпуса небольших лабораторных печей и промышленных до 1—2 т изготавливают из немагнитной листовой стали для уменьшения потерь на намагничивание. Изнутри корпус должен быть полированным для облегчения удаления налета конденсатов с помощью пылесосов или с помощью гидросмыва в крупных печах. Снаружи корпус охлаждается с помощью сплошной водяной рубашки. В последнее время применяется большей частью сплошное охлаждение.

Механизм наклона тигля и токоподвод. Наклон всего корпуса печи с жестко закрепленным внутри него тиглем требует сложного вакуумного уплотнения патрубка вакуумной системы, соединяющего наклоняющийся корпус со стационарно стоящими насосами. Поэтому такая конструкция в последнее время не применяется. Из применяемых механизмов наклона следует отметить механизм С цепной или тросовой передачей и механизм с консолью трубчатого типа, совмещающий наклон печи с коаксиальным токо-подводом. Он имеет поворотное вакуумное уплотнение, через которое в корпус печи проходит стальная труба—консоль, к которой прикрепляется каркас индуктора.

Внутри несущей трубы проходит токоподвод, состоящий из двух труб, расположенных одна в другой (коаксиальный токоподвод). Этот токоподвод обладает тем преимуществом, что устраняется нагрев токонесущих частей вследствие наводки индуцированного тока. Внутри труб подается вода для охлаждения как самого токоподвода, так и индуктора. Снаружи к электровводам подходят водоохлаждаемые кабели. Консольный механизм имеет ручной или электромеханический привод для вращения. Электромеханический привод с дистанционным управлением позволяет сталевару вести наблюдение за плавкой, разливкой и управлять наклоном тигля.

Для крупных печей (емкостью несколько десятков килограмм и более) применяют механический, цепной механизм наклона. Трос или цепь, прикрепленные к каркасу индуктора, наматываются на барабан, вращаемый приводом, расположенным снаружи печи. Токоподвод осуществляется либо гибкими водоохла-ждаемыми кабелями внутри печи, либо через стационарные медные шины с небольшим гибким участком, подсоединенным к окончаниям индуктора, либо через токонесущие подшипники скольжения, в которых вращаются опорные цапфы каркаса печи и выводы индуктора. Для крупных печей применяют устройства с вращающейся втулкой, в которой помещены жесткие токо-вводы, подсоединяемые к окончаниям индуктора.

Подвод тока и воды в вакууме с помощью гибких водоохла-ждаемых кабелей нежелателен из-за введения в вакуумную камеру резиновых коммуникаций, которые являются источниками дополнительных газоотделений и представляют опасность при выбросах металла и прожигании их.

При проектировании печей важным является возможность наклона печи в сторону сливного носка для разливки стали, а также в противоположную сторону для подплавления образовавшихся мостов или для слива шлака.

В небольших индукционных вакуумных печах изложницы располагаются внутри корпуса. Они могут находиться на стальном поддоне под индуктором либо подвешиваются к носку тигля на цапфах. Пр# возможности устройства внутри ВИП поворотного стола можно предусмотреть заливку из одной плавки нескольких изложниц или форм, стоящих на столе.

Присадка легирующих и раскислителей

Для присадки легирующих и раскислителей (твердых добавок) вакуумные индукционные печи оборудуют дозаторами и загрузочными устройствами.

Дозаторы для легирующих могут располагаться:

1) снаружи корпуса печи с шибером;

2) снаружи корпуса без шибера;

3) внутри корпуса печи.

Наиболее удобными являются дозаторы первого типа. Они позволяют изменять порядок закладки легирующих, увеличивать дозировку или уменьшать ее в зависимости от хода плавки и от полученных анализов, устранять повреждения дозатора.

Эти дозаторы могут быть одноразового действия или многоразового. В одноразовом дозаторе на тарелку внутри дозатора закладывают порцию материала, откачивают камеру дозатора, открывают шибер и сбрасывают ферросплав или другую присадку в тигель.

Затем закрывают шибер, напускают воздух, открывают камеру дозатора и производят закладку следующей порции. Недостаток работы такого дозатора заключается в интервале времени между дачей отдельных присадок, если присадки нельзя совместить в один прием. На рис. 73, а, б показана схема дозаторов для одной присадки и многопорционный дозатор. И в той, и в другой конструкции камера дозатора отделена шибером от камеры печи.

В корпусе шлюзовых дозаторов многоразового действия других конструкций расположено несколько патронов с присадками — емкостей. Днища патронов-емкостей поочередно откидываются манипулятором снаружи или вращается весь куст с патронами, пока очередной патрон не наезжает на отверстие в поддоне камеры и материал через это отверстие высыпается внутрь печи в промежуточный совок. Более правильным является применение неподвижных емкостей, находящихся в общей камере с независимым открыванием днища каждой из емкостей. Преимущество дозаторов такого типа состоит в том, что не нужно перезаряжать его после каждой порции легирующего, поэтому присадки можно вводить быстрее, но в целом конструкция становится более сложной.

Третий тип дозаторов, расположенных внутри корпуса печи, обычно представляет собой ящичные емкости, укрепленные на корпусе, днище которых также открывается наружным устройством. Эти дозаторы надежны, просты, не имеют вращающихся частей, но требуют дополнительного объема внутри печи и не позволяют менять материалы по ходу плавки. Кроме того, они пригодны только для печей периодического действия.

Для передачи материалов от питающей трубы дозатора в тигель в печах устраивается передающее устройство. В небольших печах, передающим устройством является либо совок, вращающийся вокруг оси (при его наклоне происходит перегрузка материалов в тигель), либо совок, который перемещается поступательным движением с помощью штока от питателя дозатора к тиглю, над которым он и опрокидывается.

В более крупных печах применяют передающие устройства триммерного типа. В крупных вакуумных индукционных печах в камере дозатора могут распо-

лагаться более крупные емкости одновременно с магазинами для присадки мелких порций (рис. 74, а), а в установках полунепрерывного действия на корпусе устанавливают камеру для загрузки шихты бадьями и отдельно дозаторы для присадки мелких порций легирующих и раскислителей (рис. 74, б).

Наблюдение за плавкой

Смотровые окна для наблюдения имеют оптические молибденовые стекла, выдерживающие высокий нагрев. Окно должно иметь достаточно большой угол обзора, позволяющий видеть ванну металла, края тигля, приспособления для добавок, перемещение термопары или пробника. Через основное или дополнительное окно должен быть обеспечен и визуальный контроль за разливкой металла.

Основная проблема в устройстве и эксплуатации смотровых окон —это предохранение их от запыления во время плавки, особенно при работе ВИП полунепрерывного действия. На открытую поверхность стекла достаточно быстро оседает слой конденсатов элементов, испаряющихся из жидкого металла, в особенности, если в составе сплавов имеются летучие компоненты, например марганец.

Наиболее эффективными и достаточно простыми способами защиты, применяемыми в настоящее время, является защита стекла отводным экраном, предохраняющим его от загрязнения, и установка шибера перед стеклом. Шибер отсоединяет карман, где находится стекло. Это позволяет при необходимости по ходу плавки протирать стекло или быстро менять его. В устройствах подобного типа необходимо предусматривать конструкцию с быстродействующим зажимом стекла. Наличие устройства с несколькими гайками, требующего* для открытия времени, обесценивает выгоды от смены стекла.

Более сложными методами защиты является установка перед стеклом вращающегося обтюратора со щелью и стеклянного диска, представляющего собой дополнительную защиту.

Можно использовать также оправдавшую себя в печах периодического действия систему, состоящую из стекла и диска с защитными стеклами. При запылении защитного стекла диск поворачивается и устанавливается новое чистое стекло. Подобное устройство может быть установлено и на ВИП полунепрерывного действия, но обязательно с шиберным шлюзом.

Механические вспомогательные устройства

Обязательными для любой печи являются ломик для осаживания шихты, сбрасывания в печь кусочков добавок, не попавших в -тигель и лежащих на воротнике. Этот же ломик может быть использован и для зачистки стенок тигля после плавки в случае работы по полунепрерывному варианту. Ломик проходит через уплотнение в корпусе, которое обеспечивает как поступательное его движение, так и отклонение от вертикальной оси на 15—20°, чтобы конец ломика мог свободно попадать в любую точку по окружности тигля или его воротника. В небольших печах ломик делается сплошным, в более крупных установках обязательно с водяным охлаждением.

Отбор проб

Для контроля процесса плавки вакуумные индукционные печи должны быть снабжены обязательно устройством, позволяющим отбирать пробы жидкого металла по ходу плавки. Обычно для отбора проб на крышке или корпусе печи над тиглем располагается шлюзовое устройство с камерой и крышкой с сальниковым уплотнением, позволяющим опускать в печь штангу с пробницей на конце и менять пробницу,. не открывая печи (рис. 75). К концу штанги "крепят либо кварцевую пробирку с отверстиями возле верхнего края, либо корундовый чехол. Корундовый пробник изготовляют следующим образом: форму из парафина с полиэтиленом 5—6 раз покрывают суспензией, состоящей из этилсиликата, эфироальдегидов, электрокорунда: после получения стенок необходимой толщины форму вытапливают, затем пробник постепенно спекают, нагревая его до 950° С.

В крупных печах используют и металлические глуходонные стаканы, разъемные или цельные. Преимущество этих пробников в том, что они прочные. Недостаток в том, что при горячем металле происходит приваривание пробы к стенкам стакана. Корундовые пробники более надежны, чем кварцевые, перед использованием их следует прокаливать для удаления адсорбированных газов.

Измерение температуры металла

Температуру металла измеряют либо контактным способом —термопарой погружения, либо с помощью оптических пирометров.

Термопару погружения вводят в печь через устройство для отбора проб или через специальное приспособление. Термопарный узел состоит из стальной трубы — корпуса с переходником на конце. На переходник с помощью накидной гайки устанавливается защитный чехол из кварца, диборида циркония или корунда. На внешнем конце трубки-корпуса имеется коробка для компенсационных проводов и вакуумного вывода контакта этих спаев на проводку к потенциометру. В малых печах штангу пробника или термопару поднимают вручную, на больших печах перемещение производится с помощью механического или гидравлического привода.

В свое время ВНИИЭТО разработал серию вакуумных индукционных печей для лабораторных и промышленных целей.